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1  引言
    20世紀90年代，美國管理界針對“計劃跟不上變化”這一問題，提出制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）的新概念，填補了車間層管理的空白。MES以成本核算為中心，優化整個生產過程；收集生產過程中的大量實時數據，并且能夠對突發事件及時處理；與計劃層（以ERP為代表的企業管理系統）和控制層（以DCS、PLC為代表的過程控制系統）保持雙向通信能力，從上、下兩層獲取相應數據并反饋處理結果和生產命令；實現生產計劃調度與管理。
    目前，大多數制藥企業主要憑借經驗進行管理，計劃層與控制層相互脫節，無法適應變化多端的外界環境，極大地制約了生產管理水平的提高。在CIMS的研究與發展中，對MES還沒有給予足夠的重視，導致針對制藥行業開發的MES軟件幾乎沒有，甚至這方面的研究文獻都很難見到。

2  制藥行業的特點
    制藥工業主要指生物、化學藥品的生產部門，由原料藥生產和藥物制劑生產兩部分組成。原料藥是藥品生產的物質基礎，但必須加工制成適合于服用的藥物制劑才成為藥品。
制藥行業作為流程工業的一種，既有流程工業所具有的共性也有特殊性，通過發酵、萃取、灌裝等生物、化學、物理變化，產生新物質達到增值目的。通常以批量或連續的方式進行生產，需要嚴格的過程控制和安全措施。特殊性如下：
    (1)  生產工藝方面：工藝機理復雜，同樣的操作條件也很難得到相同結果，無法對產量準確預測；上級物料和下級物料之間的數量關系可能隨溫度、濕度、季節、人員技術水平、工藝條件不同而不同，例如，發酵液與微生物代謝物的關系就不是一個完全確定的關系；生產過程需要在無菌的條件下進行，對設備嚴密性、生產操作、環境的要求很嚴格；生產過程包含復雜的物理和生化過程，及各種突變和不確定性因素。
    (2)  生產計劃方面：制藥企業主要是大批量生產，只有滿負荷運行，才能將成本降低；生產主要面向庫存，沒有作業單的概念，年度計劃更具有重要性；采用過程結構和配方進行物料需求計劃，同時考慮生產能力。
    (3)  調度管理方面：制藥行業中體現了以配方為核心的生產模式，以流水線方式組織生產，只存在連續的工藝流程，不存在與離散企業對應的嚴格的工藝路線；要考慮產品配方、產品混合、物料平衡和污染防治等問題，蒸汽、冷凍水、壓縮空氣和水電等動力能源輔助系統也要考慮。
    (4)  批號管理方面：藥品生產過程要求有十分嚴格的批號記錄，從原材料、供應商、中間品以及銷售給用戶的產品，都需要記錄，當出現問題，可以通過批號反查出是誰的原料、哪個部門何時生產的，直到查出問題所在。
   (5)  生產過程與優化方面：生產過程要滿足GMP、FDA等法規的要求，實現規范操作和管理；需要從生產工藝和先進控制方面對生產過程進行優化。

3  面向制藥行業MES
    針對制藥企業生產運行、管理很大程度上依賴于經驗，信息傳遞不及時、不全面，管理與生產脫節，生產指揮滯后等現狀，并依據其特點提出了以優化整個生產過程為核心的制造執行系統。發揮其在整個生產過程中的橋梁和紐帶作用，實現生產過程的最優計劃與調度、生產工藝優化、操作條件優化、突發事件處理等功能，進而使生產高效、協調、穩定運行。
3.1  體系結構
    面向制藥行業MES主要由生產優化調度與管理、生產運行與優化、生產過程數據處理系統、批次管理與跟蹤、設備管理與維護、職工管理、生產文檔管理7個模塊組成。其體系結構如圖1所示。

圖1  面向制藥行業MES體系結構

3.2  各個模塊的功能
    (1)  生產優化調度與管理模塊
    包括生產調度與分析、物料管理與控制、能源管理與控制、成本核算與控制四項功能，作為MES的“大腦”需要根據ERP下達的生產計劃產生人力、設備、物料、能源的最優調度方案，滿足成本最低、質量最好、效率最高的要求；把調度計劃分解為工藝流程下達給生產運行與優化模塊，同時監督生產操作狀況；根據當前批次生產情況、設備狀況、職工信息等為下面的生產做好調度準備；能夠應對各種突發事件并做好再次調度；將整個生產狀況記錄到生產文檔管理模塊。
    (2)  生產運行與優化模塊
    包括工藝參數管理、控制系統監控、生產過程優化等功能；將生產優化調度與管理模塊下達的工藝流程分解為操作指令通過生產過程數據處理系統去操作控制系統和設備，監督生產執行情況；從生產工藝和操作條件方面優化生產過程，能對工藝參數進行修改并傳送給控制系統。
    (3)  生產過程數據處理系統
    能夠實時從控制系統采集生產數據也能把生產命令下達給控制系統；為批次管理與跟蹤、設備管理與維護、職工管理模塊提供數據；通過手工輸入或各種自動方式獲得現場數據。
    (4)  批次管理與跟蹤模塊
    能夠采集當前批次（中間、最終）的生產運行數據，包括在線參數值和離線測量值，對生產質量做出評價，決定生產是否繼續；當ERP對某個最終批次的生產情況提出質疑時，將根據此批次的記錄進行反沖追查，并把結果上報給ERP和生產優化調度與管理模塊。
    (5)  設備管理與維護模塊
    指導企業維護設備的工作以保證生產順利進行，并產生階段性、周期性和預防性的維護計劃，也提供對緊急問題的響應（報警）；保留過去所發生的事件和問題的歷史記錄有助于處理可能要出現的問題。
    (6)  職工管理
    提供職工的狀態信息，包括工時、出勤、技能等；記錄并規范職工操作過程；與生產優化調度與管理模塊相互作用來決定優化分配；還與ERP中的人事管理模塊相互傳遞信息。
    (7)  生產文檔管理模塊
    管理與生產相關的數據，包括生產計劃、配方、工藝流程、工藝參數、標準操作程序、生產計劃變更通知、班組交換信息等；該模塊還完成對生產歷史數據的存儲。
    另外，ERP、MES、Controls三個系統的運行都依托于計算機網絡和數據庫系統，關系數據庫與實時數據庫通過集成平臺交換數據。
3.3  企業信息集成
    企業信息集成是實現MES橋梁和紐帶作用的基礎。實現信息的集成，需要知道有哪些企業信息和數據，這些信息和數據怎樣才能獲得，怎樣進行集成。制藥企業信息和數據包括五部分，一是企業經營管理信息，二是生產過程數據，三是質量和實驗數據，四是生產過程優化信息，最后一部分是其他信息。
    (1)  信息和數據的來源及存儲
    企業經營管理信息包括企業供應與銷售、庫存、財務、資金、人事、市場、原料和產品價格、決策、總的生產計劃與方案以及生產設備等信息。這些信息大多數來自企業內部，有些來自外部，屬于管理類型，一般存放在ERP、SCM、CRM等系統的關系數據庫中。
    在制藥行業，生產過程數據和設備運行狀態的信息是底層自動化的基礎，其中包括物料流數據、能源流數據、各種操作條件，如溫度、壓力、pH值等，以及設備運行、停止及事故狀態等。這些數據和信息都是實時生產數據和信息，具有很強的時間特性，通常由實時數據庫存貯。
企業產品、半成品及原材料的組成和性質是企業質量管理的重要信息和數據，也是物料流和能源流進行質量平衡計算的信息來源。還有一類信息和數據是產品配方、生產方案和實驗室（或中試工廠）試驗數據和信息。這些信息對于指導生產是非常寶貴的，存儲在實時數據庫，一般可由實驗室信息管理系統（LIMS）采集和管理。
    生產過程優化信息通常包括操作參數、負荷分配和生產計劃調度優化信息。操作參數、負荷分配優化信息存儲在實時數據庫，生產計劃調度優化信息存儲在關系數據庫。
     其他信息包括職工出勤、工時信息，通常通過考勤機讀取職工胸卡上的條碼自動錄入處理，存儲在實時數據庫中。也包括各種突發事件所產生的信息。
    (2)  信息和數據的獲取與集成
    MES以實時數據庫為核心，通過OPC、DDE等方式從Controls采集實時生產數據并儲存在實時數據庫，同時也能把操作參數值傳遞給Controls。廣泛使用的實時數據庫主要有：美國OSISoft公司的PI、美國Honeywell公司的PHD和美國AspenTech公司的IP21。
    MES以關系數據庫為核心，通過ODBC或JDBC等技術實現與ERP等經營管理系統之間的數據交換。目前常用的關系數據庫有：Oracle、SQL Server、Sybase和DB2。
    在生產運行過程中，關系數據庫與實時數據庫之間需要交換數據實現信息傳遞，MES中各個應用軟件需要互訪，為此構建了集成平臺。此平臺具備下述功能：實現全企業的信息集成和功能集成；能適用于各種不同的計算機系統；能實現與應用軟件和系統內所用的計算機系統獨立，各類數據可以在計算機系統間轉換；符合各種軟件標準。兩個數據庫之間的數據交換可以通過ODBC或JDBC接口實現，各個應用軟件互訪也通過數據庫實現。另外，MES的七個功能模塊分別與關系數據庫和實時數據庫進行數據存取。
    (3)  信息的傳遞關系
    在信息傳遞關系上，MES向上層ERP提交生產能力報告、物料消耗情況、能源消耗情況、動態成本核算報告、職工分配信息、生產計劃執行情況、批次運行數據、生產設備運行狀況等；向底層Controls發送生產操作指令、工藝控制參數。同時，接受ERP的生產計劃、物料計劃、能源計劃、成本計劃、設備狀況信息、人事信息；接受Controls的實時控制數據、離線采集信息、設備運行情況、物料和能源的使用情況等。
    總之，MES與ERP、Controls保持信息暢通，充分利用各種信息資源實現人員、物料、能源的優化調度圓滿完成生產任務。
3.4  生產過程優化
    信息集成是MES的基礎，生產過程優化是MES的靈魂，二者相輔相成。實現優化控制和操作的關鍵是建立優化模型和確定尋優策略。模型的種類很多，有用數學方程形式描述的數學模型，也有邏輯關系等描述的智能模型，如神經網絡模型，以及使用各種圖形表示的圖形模型等。尋優策略主要是指最優化技術，包括動態規劃、遺傳算法、蟻群算法等。生產過程優化主要包括工藝優化、計劃與調度優化和操作條件優化。
    (1)  生產工藝優化
    生產工藝優化是基于工藝指標的優化過程，通過修改配方、工藝技術路線以及工藝參數等達到優化目的，例如控制回路設定值的改變。例如，維生素B12厭氧發酵過程培養基配方優化，工藝目標是提高發酵單位，首先建立培養基各個組分與菌體濃度、產物濃度的關聯模型，然后按照一定的尋優策略進行仿真實驗，最后把效果最好的培養基配方應用到小試。如果小試成功，那么自然應用到中試，依次類推最后應用到生產；反之，如果某個環節沒有達到預期效果，在確保此環節沒有問題的情況下，則需返回到上一步繼續試驗。
    (2)  計劃與調度優化
    MES根據ERP下達的生產計劃、物料計劃、能源計劃和成本計劃，確定最優的生產計劃與調度策略并組織生產。基于過程仿真的計劃與調度優化模型一般為：
    Maxgain=Vsell－Cmaterial－Cproduction－Cstock
    Maxgain代表目標函數，即使總利潤最大；Vsell代表產品銷售值；Cmaterial代表原料成本；Cproduction代表生產成本；Cstock代表庫存成本。約束條件包括生產能力約束、生產過程模型、物料平衡約束、能源平衡約束、產品產量約束、產品質量約束、貯罐貯量約束、設備約束等。
    計劃與調度優化功能由MES中的生產優化調度與管理模塊實現，優化模型的輸入主要有，ERP下達的生產計劃、物料計劃、能源計劃、成本計劃；工廠（或車間）的人員與設備狀況、庫存等。輸出是工廠（或車間）的年、季度、月、日生產計劃與調度方案。生產計劃與調度方案能夠應對各種突發事件，如設備故障、人員缺崗、作業變更等，在模型中引入了隨機變量。同時結合實際生產考慮對模型的約束條件，如生產能力。如圖2所示。

圖2  計劃與調度優化方案框圖

    (3)  操作條件優化
    操作條件主要是指物理、化學、生物反應條件，包括溫度、壓力、pH值、溶解氧等，是生產保持高產、優質、低耗水平的關鍵因素。但是制藥過程機理復雜、影響因素眾多、生產環境變化無常給操作條件優化帶來了困難，發酵過程是典型例子。
    制藥行業操作條件的優化主要通過MES中的生產運行與優化功能模塊來實現，此模塊將通過基于優化模型的計算機仿真模擬，直觀、形象地考察各個變量與優化目標之間錯綜復雜的關系，尋找一組最佳的生產操作參數組合。
    操作條件優化框圖如圖3所示。生產過程數據處理系統積累了大量生產歷史數據，這些歷史數據一部分是從過程控制系統自動采集的，如溫度、壓力；另一部分是實驗室離線測量得到的并由人工輸入此系統中，如生物量。生產運行與優化模塊綜合運用數理統計、模式識別、機器學習等各種數據挖掘方法，從歷史生產數據中發現指導生產的知識和規律。操作條件優化分為離線優化和半實時優化，離線優化是指根據歷史生產數據尋優得到最優操作條件；半實時優化是指每隔一段時間采集生產過程中的數據（包括實時生產數據和離線數據）在線尋優得到最優操作條件。

圖3  操作條件優化框圖

4  結語
    通過分析制藥行業生產管理的特點，提出了以計劃調度為主線、成本控制為核心的制造執行系統的體系結構和功能，進一步闡述了企業信息集成及生產過程優化。面向制藥行業MES解決了控制信息與管理信息的綜合集成問題，起到將生產信息和經營管理的信息進行轉換、加工和傳遞的作用，是生產活動與經營活動的紐帶和橋梁，是實現CIMS的關鍵，將為我國制藥行業提供一個集先進管理理念、靈活控制模式、完整應用功能、先進系統技術為一體的MES解決方案和技術產品，提升國際競爭力。

參考文獻：
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[3] 王樹青. 先進控制技術及應用[M]. 北京：化工工業出版社,2001,7.